(57)【要約】  本発明は、内燃機関の排気ガス性能を左右する触媒の温度を適切に制御することのできる触媒温度制御装置を提供することを目的とする。  触媒の内部において少なくとも流路方向に連続的に或いは離散的に複数の温度測定点を配置する。それら温度測定点は、温度センサが配置されている実測定点だけでなく、温度センサが配置されていない仮想測定点を含むことができる。内燃機関の運転条件に合わせて複数の温度測定点の中から制御点を選択するとともに、触媒の温度の目標値を設定する。選択した制御点の温度は、その制御点が実測定点であるならば温度センサによる実測値を用いることができる。制御点が仮想測定点であるならば、その近隣の１又は複数の実測定点の温度を用いた補間計算によって制御点の温度を推定することができる。そして、実測或いは推定によって取得した制御点の温度と目標値との差に基づいて内燃機関の操作量を決定し、決定した操作量に従って内燃機関を操作する。
2011086678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置される触媒の温度を制御する触媒温度制御装置であって、
前記触媒の内部において少なくとも流路方向に連続的に或いは離散的に配置された複数の温度測定点を記憶する温度測定点記憶手段と、
前記内燃機関の運転条件に合わせて前記複数の温度測定点の中から制御点を選択する制御点選択手段と、
前記内燃機関の運転条件に合わせて前記触媒の温度の目標値を設定する目標値設定手段と、
前記制御点の温度を取得する制御点温度取得手段と、
前記制御点の取得温度と目標値との差に基づいて前記内燃機関の操作量を決定する操作量決定手段と、
前記操作量に従って前記内燃機関を操作する機関操作手段と、
を備えることを特徴とする触媒温度制御装置。
【請求項２】
前記温度測定点は、前記触媒の径方向にも連続的に或いは離散的に配置されていることを特徴とする請求の範囲１に記載の触媒温度制御装置。
【請求項３】
前記温度測定点は、前記触媒の周方向にも連続的に或いは離散的に配置されていることを特徴とする請求の範囲１又は２に記載の触媒温度制御装置。
【請求項４】
前記温度測定点は、温度センサが配置されている実測定点と、温度センサが配置されていない仮想測定点とを含み、
前記制御点温度取得手段は、前記制御点が実測定点である場合には、温度センサによって前記制御点の温度を実測し、前記制御点が仮想測定点である場合には、その近隣の１又は複数の実測定点の温度を用いた補間計算によって前記制御点の温度を推定することを特徴とする請求の範囲１乃至３の何れか１つに記載の触媒温度制御装置。
【請求項５】
前記制御点選択手段は、前記内燃機関の始動からの時間に応じて前記制御点を前記触媒の入口側から出口側へ移動させることを特徴とする請求の範囲１乃至４の何れか１つに記載の触媒温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気通路に配置される触媒の温度を制御する触媒温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用の内燃機関に求められる種々の性能の中でも、今日、特に重要視されている性能の１つが排気ガス性能である。その排気ガス性能を左右するのが排気通路に配置される触媒であり、より詳しくは、触媒の温度制御である。触媒の浄化性能はその温度に大きく依存する。このため、かねてより触媒の温度制御に関する様々な発明がなされてきた。そのような発明が開示されている文献としては、例えば、特開２００５−１７１９１９号公報、特開２００８−１０６７１３号公報、特開２００７−１６２６３４号公報及び特開２００３−１９５９１３号公報を挙げることができる。【０００３】
ところで、内燃機関の運転中における触媒内の温度は必ずしも一様ではない。図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃは触媒内に生じる温度分布の一例を示している。図６Ａの模式図において触媒のＩ−Ｉ方向、すなわち、流路方向の温度分布をグラフで示したものが図６Ｂである。図６Ａの模式図において触媒のII−II方向、すなわち、径方向の温度分布をグラフで示したものが図６Ｃである。内燃機関の始動直後は、触媒の担体自体が冷えているために、特に流路方向における温度分布が顕著になる。このため、触媒の入口側では排気ガスを浄化するのに十分な反応速度を得られる温度まで触媒温度が上昇しているにもかかわらず、触媒の出口側では触媒温度があまり上がっていない場合がある。実際のところ、触媒の入口側と出口側との間の温度差は、内燃機関の運転条件によっては５００℃以上に達することもある。【０００４】
以上のような温度分布が触媒内に生じることは以前から周知の事実である。このため、触媒の温度制御に関する従来の発明の中には、触媒内の温度分布を考慮して温度制御を行うものも含まれている。例えば、特開２００５−１７１９１９号公報に開示された発明では、触媒の前端と後端の温度差が求められ、その温度差が所定の範囲に収まる値となるように排気系に供給される二次空気の流量が調整されている。【０００５】
しかしながら、従来提案されている発明の多くは、触媒内の温度分布をどのように緩和するかという観点でなされていた。内燃機関の排気ガス性能を向上させる上では、触媒全体を如何に効率的に使用するかが重要であるが、そのような観点で触媒内の温度分布に向き合った発明は現在のところ見当たらない。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、上述のような課題に鑑みなされたものである。そして、その目的は、触媒全体を如何に効率的に使用することにより内燃機関の排気ガス性能を左右する触媒の温度を適切に制御することのできる触媒温度制御装置を提供することである。
【０００７】
そのような目的において、本発明の１つの態様によれば、触媒温度制御装置は、触媒の内部において少なくとも流路方向に連続的に或いは離散的に配置された複数の温度測定点を記憶する手段を備える。また、触媒温度制御装置は、内燃機関の運転条件に合わせて複数の温度測定点の中から制御点を選択する手段と、同じく内燃機関の運転条件に合わせて触媒の温度の目標値を設定する手段とを備える。さらに、触媒温度制御装置は、選択した制御点の温度を取得する手段と、制御点の取得温度と目標値との差に基づいて内燃機関の操作量を決定する手段と、決定された操作量に従って内燃機関を操作する手段とを備える。
【０００８】
このような態様の触媒温度制御装置によれば、内燃機関の運転条件に応じて触媒温度制御の制御点が変更されるので、触媒全体を効率的に使用することが可能となる。
【０００９】
より好ましい態様として、温度測定点は触媒の径方向にも連続的に或いは離散的に配置することができる。或いは、温度測定点は触媒の周方向にも連続的に或いは離散的に配置することができる。これらによれば、触媒内の径方向や周方向の温度分布をも考慮した触媒の温度制御が可能となる。
【００１０】
なお、温度測定点は、温度センサが配置されている実測定点と、温度センサが配置されていない仮想測定点とを含むことができる。制御点が実測定点である場合には、温度センサによって制御点の温度を実測することができる。一方、制御点が仮想測定点である場合には、その近隣の１又は複数の実測定点の温度を用いた補間計算によって制御点の温度を推定することができる。
【００１１】
内燃機関の運転条件に合わせた制御点の好ましい選択の１つとして、内燃機関の始動からの時間に応じて制御点を触媒の入口側から出口側へ移動させてゆくことが挙げられる。これによれば、内燃機関の始動時、触媒全体を速やかに且つ確実に活性化させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態の触媒温度制御装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態で行われる触媒温度制御の手順を示すフローチャートである。
【図３】触媒温度制御で用いられる内燃機関の運転条件について説明するための図である。
【図４】内燃機関の始動時に行う触媒温度制御での制御点の選択について説明するための図である。
【図５】制御点の温度の取得方法について説明するための図である。
【図６】図６Ａは触媒内の温度分布について説明するための図であり、図６Ｂは触媒内の流路方向の温度分布をグラフで示した図であり、図６Ｃは触媒内の径方向の温度分布をグラフで示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について図１乃至図５の各図を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態の触媒温度制御装置の構成を示す図である。触媒温度制御装置は、制御量である触媒温度が目標値になるように内燃機関を操作するフィードバック制御システムとして構成されている。本実施の形態では、内燃機関の操作量を決定する手段としてＰＩＤコントローラを備えている。
【００１５】
本実施の形態の触媒温度制御装置の一つの特徴は、制御量である触媒温度を測定する温度測定点を触媒内に複数有していることである。詳しくは、温度測定点は触媒の内部において流路方向に連続的に或いは離散的に配置されている。そのうちの一部は実際に温度センサが配置されている実測定点であり、残りは温度センサが配置されていない仮想測定点である。実測定点の位置は固定であるが、仮想測定点の位置は固定ではなく任意に変更することができる。また、仮想測定点は任意に追加したり削除したりすることもできる。これらの温度測定点の位置と実／仮想の種別は触媒温度制御装置に記憶されている。本実施の形態の触媒温度制御装置のもう一つの特徴は、内燃機関の運転条件に合わせて複数の温度測定点の中から一つの制御点が選択されることである。触媒温度制御装置は、選択した制御点の温度が目標値になるようにＰＩＤコントローラによって内燃機関の操作量を算出する。
【００１６】
本実施の形態の触媒温度制御装置による触媒温度制御の手順をフローチャートで示すと図２のようになる。最初のステップＳ１０１では、内燃機関の運転条件が取得される。運転条件は触媒の温度に影響する条件であって、例えば、エンジン回転数やスロットル開度がそれに含まれる。また、内燃機関の始動直後であれば、取得すべき運転条件には始動後の経過時間や始動後の積算空気量が含まれる。図３に示すように、始動後の経過時間と積算空気量との関係から触媒が暖機中なのかそれとも暖機が完了しているのかを判断することができる。
【００１７】
次のステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で取得した運転条件に合わせて触媒温度の目標値が設定される。また、制御点とする温度測定点が運転条件に合わせて選択される。この選択は、運転条件を引数とするマップや評価関数を用いて行われる。図４には、触媒温度制御における制御点の選択の仕方の一例として、内燃機関の始動時における制御点の選択の仕方を示している。図４によれば、触媒の暖機中であると判断される場合には、触媒の前端部（入口側）にある温度測定点が制御点として選択される。そして、触媒の暖機か完了したと判断された場合には、触媒の後端部（出口側）にある温度測定点に制御点が変更される。このように、触媒の暖機状態に合わせて制御点の選択を変えることで、触媒全体を速やかに且つ確実に活性化させることが可能となる。
【００１８】
次のステップＳ１０３では、ステップＳ１０２で選択された制御点の温度が取得される。制御点の温度の取得方法は、制御点として選択された温度測定点の種別によって異なる。触媒内で制御点として選択される温度測定点には、図５に示すように、温度センサが配置されている実測定点（黒丸で示す）と、温度センサが配置されていない仮想測定点（白丸で示す）とがある。実測定点は固定であるが、仮想測定点は任意に位置を変更したり新たに追加したりすることができる。ステップＳ１０２で選択された制御点が実測定点の場合には、温度センサによって実測された温度がそのまま制御点の温度として取得される。一方、仮想測定点が制御点として選択された場合には、その近隣の１又は複数の実測定点の温度を用いた補間計算によってその制御点の温度が推定される。
【００１９】
最後のステップＳ１０４では、ステップＳ１０３で取得された制御点の温度と、ステップＳ１０２で設定された目標値との差に基づいて内燃機関の操作量が決定される。本実施の形態では、ＰＩＤコントローラによるＰＩＤ制御によって操作量が決定される。触媒の温度制御に使用可能な操作量としては、例えば、点火時期、二次空気量、燃料噴射時期、バルブタイミング、ＥＧＲ量などが挙げられる。内燃機関の運転を制御する電子制御ユニットは、ＰＩＤ制御によって決定された操作量に従って内燃機関を操作する。
【００２０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００２１】
図４では、触媒の前端部から後端部へ制御点の切り替えを行っているが、触媒の入口側から出口側へ制御点を連続的に或いは段階的に移動させてもよい。その場合の制御点の位置は、内燃機関の始動からの経過時間に応じて決めるのが好ましい。
【００２２】
また、図４では、選択される制御点は１点としているが、複数の制御点を選択してそれらの温度に基づいて温度制御を行うことも可能である。
【００２３】
触媒内に配置する温度測定点は、流路方向に加えて触媒の径方向にも連続的に或いは離散的に配置してもよい。また、触媒の周方向にも連続的に或いは離散的に配置してもよい。これらによれば、触媒内の径方向や周方向の温度分布をも考慮した触媒の温度制御が可能となる。例えば、内燃機関の運転時、触媒内には境界層によるガスの流速分布が生じるが、このガスの流速分布は径方向や周方向の温度分布に大きく影響する。また、径方向や周方向のガスの流速分布は触媒内に流入するガスの流速によって制御することができる。これらのことから、触媒内に流入するガスの流速を変化させることによって、触媒内の温度分布を制御することが可能と考えられる。
【００２４】
また、アクチュエータによって温度センサの位置を動かしてもよい。その場合、温度センサの移動範囲にある各位置がそれぞれ温度測定点となる。そして、温度センサの位置を動かすことによって、制御点となる温度測定点が選択されることになる。
【図１】
2011086678.tif 000003
【図２】
2011086678.tif 000004
【図３】
2011086678.tif 000005
【図４】
2011086678.tif 000006
【図５】
2011086678.tif 000007
【図６】
2011086678.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成23年10月27日(2011.10.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置される触媒の温度を制御する触媒温度制御装置であって、
前記触媒の内部において少なくとも流路方向に連続的に或いは離散的に配置された、温度センサが配置されている実測定点と、温度センサが配置されていない仮想測定点とを含む複数の温度測定点を記憶する温度測定点記憶手段と、
前記内燃機関の運転条件に合わせて前記複数の温度測定点の中から制御点を選択する制御点選択手段と、
前記内燃機関の運転条件に合わせて前記触媒の温度の目標値を設定する目標値設定手段と、
前記制御点が実測定点である場合には、温度センサによって前記制御点の温度を実測し、前記制御点が仮想測定点である場合には、その近隣の複数の実測定点の温度を用いた補間計算によって前記制御点の温度を推定する制御点温度取得手段と、
前記制御点の取得温度と目標値との差に基づいて前記内燃機関の操作量を決定する操作量決定手段と、
前記操作量に従って前記内燃機関を操作する機関操作手段と、
を備えることを特徴とする触媒温度制御装置。
【請求項２】
前記温度測定点は、前記触媒の径方向にも連続的に或いは離散的に配置されていることを特徴とする請求の範囲１に記載の触媒温度制御装置。
【請求項３】
前記温度測定点は、前記触媒の周方向にも連続的に或いは離散的に配置されていることを特徴とする請求の範囲１又は２に記載の触媒温度制御装置。
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
前記制御点選択手段は、前記内燃機関の始動からの時間に応じて前記制御点を前記触媒の入口側から出口側へ移動させることを特徴とする請求の範囲１乃至３の何れか１つに記載の触媒温度制御装置。
【手続補正書】
【提出日】平成24年4月24日(2012.4.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置される触媒の温度を制御する触媒温度制御装置であって、
前記触媒の内部において少なくとも流路方向に連続的に或いは離散的に配置された、温度センサが配置されている実測定点と、温度センサが配置されていない仮想測定点とを含む複数の温度測定点を記憶する温度測定点記憶手段と、
前記内燃機関の運転条件に合わせて前記複数の温度測定点の中から制御点を選択する制御点選択手段と、
前記内燃機関の運転条件に合わせて前記触媒の温度の目標値を設定する目標値設定手段と、
前記制御点が実測定点である場合には、温度センサによって前記制御点の温度を実測し、前記制御点が仮想測定点である場合には、その近隣の複数の実測定点の温度を用いた補間計算によって前記制御点の温度を推定する制御点温度取得手段と、
前記制御点の取得温度と目標値との差に基づいて前記内燃機関の操作量を決定する操作量決定手段と、
前記操作量に従って前記内燃機関を操作する機関操作手段と、
を備えることを特徴とする触媒温度制御装置。
【請求項２】
前記温度測定点は、前記触媒の径方向にも連続的に或いは離散的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の触媒温度制御装置。
【請求項３】
前記温度測定点は、前記触媒の周方向にも連続的に或いは離散的に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の触媒温度制御装置。
【請求項４】
前記制御点選択手段は、前記内燃機関の始動からの時間に応じて前記制御点を前記触媒の入口側から出口側へ移動させることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の触媒温度制御装置。
【国際調査報告】
2011086678.tif 000009
2011086678.tif 000010
2011086678.tif 000011
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